Naturharte Kupfer-Legierungen
Legierungen wie Messinge (CuZn), Zinnbronzen (CuSn) und Neusilber (CuNiZn), bei denen die gewünschte Festigkeit durch Kaltumformung erzeugt wird, werden als naturharte Legierungen bezeichnet. Zu dieser Gruppe sind auch die Silberbronzen mit Silbergehalten von 2 bis 6 Massen-% zu zählen.
Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)
Kupfer-Zink-Legierungen finden wegen ihrer ausreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit, der gegenüber Kupfer höheren Festigkeit bei noch guter Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises breite Anwendung als Kontaktträgerwerkstoffe in Schaltgeräten der Energietechnik (Table 1 und Table 2). Besonders geeignet sind die sehr gut kaltbildsamen Messinge bis 37 Massen-% Zn, die nach dem Zustandsdiagramm ausschließlich aus der α-Phase aufgebaut sind (Figure 1). Beachtenswert ist die starke Abhängigkeit der Dichte, der elektrischen Leitfähigkeit und der Festigkeitseigenschaften vom Zinkgehalt (Figure 2).
Werkstoff Bezeichnung EN UNS |
Zusammensetzung [wt%] |
Dichte [g/cm3] |
Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand[μΩ·cm] | Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] |
Lin. Ausdehnungskoeff. [10-6/K] |
E-Modul [GPa] |
Erweichungstemperatur (ca. 10% Festigkeitsabfall) [°C] |
Schmelzbereich [°C] | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[MS/m] | [% IACS] | |||||||||
CuZn5 CW500L C21000 |
Cu 94 - 96 Zn Rest |
8.87 | 33 | 57 | 3.8 | 243 | 18.0 | 127 | 1055 - 1065 | |
CuZn10 CW501L C22000 |
Cu 89 - 91 Zn Rest |
8.79 | 25 | 43 | 4.0 | 184 | 18.2 | 125 | 1030 - 1045 | |
CuZn15 CW502L C23000 |
Cu 84 - 86 Zn Rest |
8.75 | 21 | 36 | 4.8 | 159 | 18.5 | 122 | ca. 250 | 1005 - 1025 |
CuZn20 CW503L C24000 |
Cu 79 - 81 Zn Rest |
8.67 | 19 | 33 | 5.3 | 142 | 18.8 | 120 | ca. 240 | 980 - 1000 |
CuZn30 CW505L C26000 |
Cu 69 - 71 Zn Rest |
8.53 | 16 | 28 | 6.3 | 124 | 19.8 | 114 | ca. 230 | 910 - 940 |
CuZn37 CW508L C27200 |
Cu 62 - 64 Zn Rest |
8.45 | 15.5 | 27 | 6.5 | 121 | 20.2 | 110 | ca. 220 | 900 - 920 |
CuZn23Al3Co CW703R C68800 |
Cu 73.5 Al 3.4 Co 0.4 Zn Rest |
8.23 | 9.8 | 17 | 10.2 | 78 | 18.2 | 116 | ca. 280 | 950 - 1000 |
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] |
0,2% Dehngrenze Rp02 [MPa] |
Bruchdehnung A50 [%] |
Vickershärte HV |
Biegeradius1) min senkrecht zur Walzrichtung |
Biegeradius1) min parallel zur Walzrichtung |
Federbiegegrenze σFB [MPa] |
Biegewechselfestigkeit σBW [MPa] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuZn5 | R 230 R 270 R 340 |
230 - 280 270 -350 340 - 440 |
≤ 130 ≥ 200 ≥ 280 |
36 12 4 |
45 - 90 70 - 120 110 - 160 |
0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t |
250 | 130 |
CuZn10 | R 240 R 280 R 350 |
240 - 290 280 - 360 350 - 450 |
≤ 140 ≥ 200 ≥ 290 |
36 13 4 |
50 - 100 80 - 130 110 - 160 |
0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t |
260 | 140 |
CuZn15 | R 300 R 350 R 410 R 480 R 550 |
300 - 370 350 - 420 410 - 490 480 - 560 ≥ 550 |
≤ 150 ≥ 270 ≥ 360 ≥ 420 ≥ 480 |
16 8 3 1 |
85 - 120 100 - 150 125 - 155 150 - 180 ≥ 170 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t 3 x t |
300 | 160 |
CuZn20 | R 270 R 320 R 400 R 480 |
270 - 320 320 - 400 400 - 480 480 - 570 |
≤ 150 ≥ 200 ≥ 320 ≥ 440 |
38 20 5 3 |
55 - 105 95 - 155 120 - 180 ≥ 150 |
0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t |
320 | 180 |
CuZn30 | R 270 R 350 R 410 R 480 |
270 - 350 350 - 430 410 - 490 480 - 580 |
≤ 160 ≥ 200 ≥ 430 ≥ 430 |
40 21 9 4 |
95 - 125 120 - 155 150 - 180 170 - 200 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 1 x t 2 x t 3 x t |
330 | 180 |
CuZn37 | R 300 R 350 R 410 R 480 R 550 |
300 - 370 350 - 440 410 - 490 480 - 560 550 - 640 |
≤ 180 ≥ 200 ≥ 260 ≥ 430 ≥ 500 |
38 19 8 3 |
55 - 105 95 - 155 120 - 190 ≥ 150 ≥ 170 |
0 x t 0 x t 0 x t 0.5 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 3 x t |
350 | 190 |
CuZn23Al3Co | R 660 R 740 R 820 |
660 - 750 740 - 830 ≥ 820 |
≥ 580 ≥ 660 ≥ 780 |
10 3 2 |
190 - 220 210 - 240 ≥ 235 |
0 x t 1 x t |
0 x t 2 x t |
≥ 400 | 230 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Nachteile der Kupfer-Zink-Legierungen sind die mit steigendem Zinkgehalt zunehmende Neigung zur Spannungsrisskorrosion und das im Vergleich zu anderen Kupferlegierungen schlechte Spannungsrelaxationsverhalten.
Von den Sondermessingen kommt vor allem CuZn23Al3Co als Kontaktträgerwerkstoff zum Einsatz. Dieser Werkstoff erreicht wesentlich höhere Festigkeitswerte als die Standard-Messinge. Obwohl CuZn23Al3Co zu den naturharten Legierungen gerechnet wird, erreicht er bei geeigneter Anlassbehandlung eine ausgeprägte Festigkeitszunahme.
Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinnbronze)
Die Kupfer-Zinn-Legierungen CuSn6 und CuSn8 gelten dank ihrer günstigen Federeigenschaften und ihrer guten Verarbeitbarkeit als Standardwerkstoffe für federnde Kontaktteile in elektromechanischen Bauelementen, wie Steckverbindern, Schaltern und Relais (Table 3 und Table 4). Zum Einsatz kommen außerdem die Legierungen CuSn4 und CuSn5 (vor allem in den USA) sowie die Mehrstoffzinnbronze CuSn3Zn9. In (Figure 6) ist die kupferreiche Seite des Zustandsdiagramms für das System Kupfer-Zinn dargestellt. Die durch Kaltumformung erzielbaren Festigkeitswerte sind denen des Messings überlegen (Figure 7). Sie steigen mit wachsendem Zinngehalt deutlich an. Am Beispiel von CuSn8 sind das Verformungs- und Erweichungsverhalten aufgeführt (Figure 8 und Figure 9). Das Relaxationsverhalten der Kupfer-Zinn- Legierungen ist bis ca. 100°C günstig, wird jedoch oberhalb 150°C deutlich schlechter.
Werkstoff Bezeichnung EN UNS |
Zusammensetzung [wt%] |
Dichte [g/cm3] |
Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand[μΩ·cm] | Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] |
Lin. Ausdehnungskoeff. [10-6/K] |
E-Modul [GPa] |
Erweichungstemperatur (ca. 10% Festigkeitsabfall) [°C] |
Schmelzbereich [°C] | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[MS/m] | [% IACS] | |||||||||
CuSn4 CW450K C51100 |
Sn 3.5 - 4.5 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.85 | 12.0 | 20 | 8.3 | 118 | 18.0 | 120 | ca. 260 | 960 - 1060 |
CuSn5 CW451K C51000 |
Sn 4.5 - 5.5 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.85 | 10.0 | 17 | 10.0 | 96 | 18.0 | 120 | ca. 260 | 940 - 1050 |
CuSn6 CW452K C51900 |
Sn 5.5 - 7.0 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.80 | 9.0 | 15 | 11.1 | 75 | 18.5 | 118 | ca. 280 | 910 - 1040 |
CuSn8 CW453K C52100 |
Sn 7.5 - 8.5 P 0.01 - 0.4 Cu Rest |
8.80 | 7.5 | 13 | 13.3 | 67 | 18.5 | 115 | ca. 320 | 875 - 1025 |
CuSn3Zn9 CW454K C42500 |
Zn 7.5 - 10 Sn 1.5 - 3.5 P 0.2 Ni 0.2 Cu Rest |
8.75 | 12 | 28 | 6.2 | 120 | 18.4 | 126 | ca. 250 | 900 - 1015 |
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] |
0,2% Dehngrenze Rp02 [MPa] |
Bruchdehnung A50 [%] |
Vickershärte HV |
Biegeradius1) min senkrecht zur Walzrichtung |
Biegeradius1) min parallel zur Walzrichtung |
Federbiegegrenze σFB [MPa] |
Biegewechselfestigkeit σBW [MPa] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuSn4 | R 290 R 390 R 480 R 540 R 610 |
290 - 390 390 - 490 480 - 570 540 - 630 ≥ 610 |
≤ 190 ≥ 210 ≥ 420 ≥ 490 ≥ 540 |
40 13 5 4 2 |
70 - 100 115 - 155 150 - 180 170 - 200 ≥ 190 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
420 | 200 |
CuSn5 | R 310 R 400 R 490 R 550 R 630 R 690 |
310 - 390 400 - 500 490 - 580 550 - 640 630 - 720 ≥ 690 |
≤ 250 ≥ 240 ≥ 430 ≥ 510 ≥ 600 ≥ 670 |
45 17 10 6 3 |
75 - 105 120 - 160 160 - 190 180 - 210 200 - 230 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
460 | 220 |
CuSn6 | R 350 R 420 R 500 R 560 R 640 R 720 |
350 - 420 420 - 520 500 - 590 560 - 650 640 - 730 ≥ 720 |
≤ 300 ≥ 260 ≥ 450 ≥ 500 ≥ 600 ≥ 690 |
45 20 10 7 4 |
80 - 110 125 - 165 160 - 190 180 - 210 200 - 230 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
480 | 230 |
CuSn8 | R 370 R 450 R 540 R 600 R 660 R 740 |
370 - 450 450 - 550 540 - 630 600 - 690 660 - 750 ≥ 740 |
≤ 300 ≥ 280 ≥ 460 ≥ 530 ≥ 620 ≥ 700 |
50 23 15 7 4 |
90 - 120 135 - 175 170 - 200 190 - 220 210 - 240 ≥ 230 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
520 | 240 |
CuSn3Zn9 | R 320 R 380 R 430 R 510 R 580 R 660 |
320 - 380 380 - 430 430 - 520 510 - 600 580 - 690 ≥ 660 |
≤ 230 ≥ 200 ≥ 330 ≥ 430 ≥ 520 ≥ 610 |
25 18 6 3 4 |
80 - 110 110 - 140 140 - 170 160 - 190 180 - 210 ≥ 200 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t 2 x t |
500 | 210 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen (Neusilber)
Die günstigen Federeigenschaften, die hohe Korrosionsbeständigkeit und die gute Verarbeitbarkeit machen Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen trotz der niedrigen elektrischen Leitfähigkeit zu einem häufig eingesetzten Federwerkstoff für Schalter und Relais. Wie dem Zustandsdiagramm zu entnehmen ist, liegen die verwendeten Werkstoffe im "-Bereich, stellen demnach einphasige Legierungen dar (Figure 10.). Die Umformbarkeit und die Festigkeitseigenschaften von Neusilber sind mit denen von Kupfer-Zinn-Legierungen vergleichbar. Das Verfestigungs- und Erweichungsverhalten zeigen die Bilder (Figure 11 und Figure 12) am Beispiel von CuNi12Zn24 .
Hinsichtlich ihres Relaxationsverhaltens sind Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen der Zinnbronze überlegen. Hervorzuheben sind noch die sehr gute Schweißund Lötbarkeit sowie die hohe Korrosionsbeständigkeit der Kupfer-Nickel-Zink- Legierungen.
Werkstoff Bezeichnung |
Zusammensetzung [wt%] |
Dichte [g/cm3] |
Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand[μΩ·cm] | Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] |
Lin. Ausdehnungskoeff. [10-6/K] |
E-Modul [GPa] |
Erweichungstemperatur (ca. 10% Festigkeitsabfall) [°C] |
Schmelzbereich [°C] | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[MS/m] | [% IACS] | |||||||||
CuNi12Zn24 CW403J C75700 |
Cu 63- 66 Ni 11 - 13 Mn 0.5 Fe 0.3 Zn Rest |
8.67 | 4.4 | 7 | 30 | 42 | 18 | 125 | ca. 400 | 1020 - 1065 |
CuNi18Zn20 CW409J C76400 |
Cu 60 - 63 Ni 17 - 19 Mn 0.5 Fe 0.3 Zn Rest |
8.73 | 3.3 | 5 | 23 | 33 | 17.7 | 135 | ca. 440 | 1055 - 1105 |
CuNi18Zn27 CW410J C77000 |
Cu 53 - 56 Ni 17 - 19 Mn 0.5 Fe 0.3 Zn Rest |
8.70 | 3.3 | 5 | 23 | 32 | 17.7 | 135 | ca. 440 | 1050 - 1100 |
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] |
0,2% Dehngrenze Rp02 [MPa] |
Bruchdehnung A50 [%] |
Vickershärte HV |
Biegeradius1) min senkrecht zur Walzrichtung |
Biegeradius1) min parallel zur Walzrichtung |
Federbiegegrenze σFB [MPa] |
Biegewechselfestigkeit σBW [MPa] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuNi12Zn24 | R 360 R 430 R 490 R 550 R ≥ 610 |
360 - 430 430 - 510 490 - 580 550 - 640 ≥ 580 |
≤ 230 ≥ 230 ≥ 400 ≥ 480 ≥ 580 |
35 8 6 3 2 |
80 - 110 110 - 150 150 - 180 170 - 200 ≥ 190 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
480 | 210 |
CuNi18Zn20 | R 380 R 450 R 500 R 580 R ≥ 640 |
380 - 450 450 - 520 500 - 590 580 - 670 ≥ 640 |
≤ 250 ≥ 250 ≥ 410 ≥ 510 ≥ 600 |
27 9 5 2 |
85 - 115 115 - 160 160 - 190 180 - 210 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
520 | 220 |
CuNi18Zn27 | R 390 R 470 R 540 R 600 R ≥ 700 |
390 - 470 470 - 540 540 - 630 600 - 700 ≥ 700 |
≤ 280 ≥ 280 ≥ 450 ≥ 550 ≥ 680 |
30 11 5 2 |
90 - 120 120 - 170 170 - 200 190 - 220 ≥ 220 |
0 x t 0 x t 0 x t 0 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
550 | 250 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Kupfer-Silber-(Cadmium)-Legierungen (Silberbronze)
Neben dem niedriglegierten CuAg0,1 werden auch Kupfer-Werkstoffe mit höherem Silberanteil (2 bis 6 Massen-% ) als Kontaktträgerwerkstoffe eingesetzt. Sie enthalten teilweise noch 1,5 Massen-% Cd. Wie aus dem Zustandsdiagramm zu erkennen ist, sind Kupfer-Silber-Legierungen prinzipiell aushärtbar, jedoch ist die dadurch erreichbare Festigkeitssteigerung gering (Figure 13).
Kupfer-Silber-Legierungen weisen günstige Federeigenschaften und im Vergleich zu anderen Federwerkstoffen eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit auf (Table 7 und Table 8). Die Festigkeitswerte im stark verformten Zustand kommen denen der Kupfer-Zinn-Legierungen nahe. Verfestigungs- und Erweichungsverhalten sind am Beispiel von CuAg2 dargestellt (Figs. 13 – 15). Im Relaxationsverhalten ist die Silberbronze dem Neusilber und der Zinnbronze überlegen.
Wegen der günstigen Federeigenschaften in Verbindung mit der sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit eignen sich Silberbronzen z.B. für Kontaktfedern in Relais bei hoher Strombelastung. Daneben werden sie wegen ihrer hohen Warmfestigkeit als Trägerwerkstoffe für stromführende Dauerkontakte in Schaltgeräten der Hochspannungstechnik sowie als Elektrodenwerkstoffe für das Widerstandsschweißen eingesetzt.
Werkstoff Bezeichnung |
Zusammensetzung [wt%] |
Dichte [g/cm3] |
Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand[μΩ·cm] | Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] |
Lin. Ausdehnungskoeff. [10-6/K] |
E-Modul [GPa] |
Erweichungstemperatur (ca. 10% Festigkeitsabfall) [°C] |
Schmelzbereich [°C] | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[MS/m] | [% IACS] | |||||||||
CuAg2 nicht genormt |
Ag 2 Cu Rest |
9.0 | 49 | 85 | 2.0 | 330 | 17.5 | 123 | ca. 330 | 1050 - 1075 |
CuAg2Cd1,5 nicht genormt |
Ag 2 Cd1,5 Cu Rest |
9.0 | 43 | 74 | 2.3 | 260 | 17.8 | 121 | ca. 350 | 970 - 1055 |
CuAg6 nicht genormt |
Ag 6 Cu Rest |
9.2 | 38 | 66 | 2.4 | 270 | 17.5 | 120 | 960 - 1050 |
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] |
0,2% Dehngrenze Rp02 [MPa] |
Bruchdehnung A50 [%] |
Vickershärte HV |
Biegeradius1) min senkrecht zur Walzrichtung |
Biegeradius1) min parallel zur Walzrichtung |
Federbiegegrenze σFB [MPa] |
Biegewechselfestigkeit σBW [MPa] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuAg2 | R 280 R 380 R 450 R 550 |
280 - 380 380 - 460 450 - 570 ≥ 550 |
≤ 180 ≥ 300 ≥ 420 ≥ 500 |
30 6 3 1 |
50 - 110 100 - 140 130 - 165 ≥ 160 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
400 | 190 |
CuAg2Cd1,5 | R 300 R 380 R 480 R 600 |
300 - 380 380 - 490 480 - 620 ≥ 600 |
≤ 190 ≥ 310 ≥ 440 ≥ 550 |
30 8 3 1 |
55 - 110 100 - 145 130 - 170 ≥ 160 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
440 | 220 |
CuAg6 | R 320 R 400 R 500 R 650 |
320 - 400 400 - 510 500 - 660 ≥ 650 |
≤ 210 ≥ 330 ≥ 460 ≥ 610 |
30 6 3 1 |
70 - 120 110 - 150 145 - 175 ≥ 175 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
460 | 230 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm